永磁调速器的冷却技术研究

发布时间：2020-01-25 05:21

【摘要】：永磁调速器因其结构简单、高效节能、绿色环保、有效隔离震动等优点广泛用于泵、离心风机等旋转机械设备的调速传动。但是在运行时由于涡流损耗和转差损失会以热量的形式散失造成较高的温升,使得永磁体的磁性降低乃至退磁,进而影响永磁调速器的性能。目前针对永磁调速器的研究主要集中在对其电磁场特性、节能效果分析等方面,对其温度场分布以及冷却技术的研究还鲜有见到。本文应用计算流体力学方法,针对结构因素对永磁调速器内空气流场及温度场的影响进行了数值模拟。运用ANSYS Workbench中的Design Modeler模块建立永磁调速器的模型,并借助ANSYS Fluent软件对其内流场进行数值模拟。对原模型的模拟结果表明:在原模型内存在一定范围的流体滞流死区,由于空气粘性较小,只有靠近转子壁面的空气随转子高速旋转;导体转子和永磁转子包围的中心区域内的空气只在该区域内部做低速旋转而不能有效流出进行对流换热;进出口总流量只有0.57kg/s,此时主要以空气的导热作用为主,永磁调速器内永磁体的最高温度高达120.2℃。为了强化传热,提高永磁调速器的冷却效果,在两转子侧面端盖上添加叶片,一方面带动空气流动,以增强对流传热,另一方面可以增大传热面积,降低传热热阻,达到强化冷却的目的。为了研究叶片数量和结构对流场和温度场的影响,分别构建了13个不同叶片数量和11个不同叶片角度的永磁调速器物理模型,进行计算流体力学数值模拟,并与原结构的数值模拟结果进行对比研究,结果表明:在两侧各添加10个与端盖夹角为60°的叶片时,风罩内的空气流速提高,湍动程度加剧,进出永磁调速器的流量增加到1.28kg/s,最高温升降至107.6℃,比原模型降低了12.6℃,具有一定冷却效果;但是两转子包围中心区域的高温空气仍不能与外围低温空气有效对流,存在一定流体滞流死区;为了增强中心区域高温空气与外围低温空气有效对流,在叶片之间开通窗口,提供一个空气进出中心区域的通道,根据数值模拟结果可以看出优化后进出口流量提高到2.37kg/s,永磁体温度降低至73.3℃,比之前的结构降低了36.3℃,冷却效果显著。出于同样的目的,在永磁调速器外圆周方向增加翅片冷却结构,以增大传热面积,降低热阻强化冷却效果。分别建立了6个具有不同翅片高度的永磁调速器模型并对其进行数值模拟,结果表明:添加高度为20mm的散热翅片后,风罩流道内的气体流速明显提高,湍动程度增加,流体滞流死区明显减少;进出口总流量提高到2.07kg/s,但是由于两转子之间的气隙很小,中心区域的高温空气几乎不能流出,翅片只是提高了永磁调速器的散热面积,增强了外围区域的强制对流效果,永磁体的温度比原模型下降了19.52℃,冷却效果有限;通过对两转子外圆周面上冷却结构进行开孔优化,可以提供一个高温气体流出的通道,模拟结果显示:开孔后流体滞流死区范围降至极低,进出口流量达到2.26kg/s,中心区域的高温空气可以通过开孔流出进行对流换热,永磁体的温度降低至72.62℃,具有良好的冷却效果。为了确定永磁调速器的整体最优冷却结构以达到最佳降温效果,将侧面优化冷却结构和外圆周优化冷却结构融合在一起进行数值模拟,结果表明:该冷却结构使得整个永磁调速器的进出口流量提高到2.92kg/s,远大于原模型的0.57kg/s,比单一方向的冷却结构也均有一定提升;永磁体的最高温度降低至56.18℃,远低于原模型的120.2℃,比单一方向冷却结构也具有明显的下降。本文用数值模拟的方法研究永磁调速器内流场及温度场的分布状况,得到永磁体的温升最高点,便于通过改进冷却结构的方法强化其冷却效果,有效降低永磁体的最高温升,确保永磁调速器能够在安全的温度范围工作,为更大功率风冷型永磁调速器的开发提供理论依据,具有重要意义。
【图文】：

美国海军消防泵用永磁调速器

筒形永磁调速器
【学位授予单位】：西安石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH139

【参考文献】

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本文编号：2572917